Sử dụng điện thoại di động nền s60 cho việc truy cập cơ sở dữ liệu và điều khiển giám sát scada

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸTHUẬT CÔNG NGHIỆP TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ TÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG NỀN S60 CHO VIỆC TRUY CẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270 Ngƣời thực hiện: Mạc Thị Phƣợng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Bùi Trung Thành Thái Nguyên - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu trong điều khiển từ xa và giám sát đã được thực hiện. Ưu điểm lớn nhất của điều khiển từ xa và giám sát là khả năng thu thập dữ liệu và vận hành hệ thống ở bất cứ nơi nào tại bất kỳ thời gian nào, với giao diện đồ họa dễ hiểu. Hệ thống điều khiển giám sát từ xa có thể thông qua mạng Internet, mạng riêng, mạng điện thoại di động để thực hiện tính năng giám sát điều khiển. Nghiên cứu này là xây dựng một cấu hình mà cho phép theo dõi và kiểm soát các quá trình điều khiển hệ thống Simatic PCS 7 bằng cách sử dụng điện thoại di động trên nền Symbian thông qua giao thức GPRS. Với mục tiêu trên, luận văn được xây dựng bao gồm 6 chương: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan về đề tài Chương 3: Phát triển dự án PCS7 Chương 4: Truyền thông cơ sở dữ liệu SQL và S60 Chương 5: Kết quả và thực nghiệm Chương 6: Kết luận và kiến nghị Được hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến tất cả những bạn bè, đồng nghiệp có đóng góp trong công việc luận văn của mình. Đặc biệt cảm ơn Thầy giáo, TS. Bùi Trung Thành đã hướng dẫn, cố vấn, ra quyết định giúp tác giả thực hiện luận văn này thành công. Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện viết luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp của độc giả để luận văn này được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Chƣơng Nội dung Trang 1 Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Đặt vấn đề 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1 1 2 3 3 2 Tổng quan về đề tài 2.1 Hệ thống điều khiển quá trình Simatic PCS7 2.1.1 Bộ điều khiển logic lập trình (PLC) 2.1.2 Phần mềm WinCC 2.1.3 Simatic profibus 2.2 Giới thiệu truyền thông GSM cơ bản 2.2.1 Truyền thông GSM cơ sở 2.2.2 Đặc tính truyền dẫn 2.2.3 Đặc điểm và cấu trúc 2.2.4 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 2.3. Nền điện thoại di động Symbian S60 2.3.1 Giới thiệu về Symbian OS 2.3.2 Nền tảng thiết kế của hệ điều hành Symbian S60 2.3.3 Phát triển các ứng dụng trên nền S60 5 5 6 8 9 11 11 11 12 13 14 14 15 16 3 Phát triển dự án PCS7 3.1 Miêu tả mô hình 3.2 Nguyên lý hoạt động 3.3 Các lƣu đồ thuật toán điều khiển chƣơng trình 3.4. Yêu cầu phần cứng 3.5. Lập trình SIMATIC S7 19 19 20 24 25 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.6. Sự tạo thành trạm vận hành OS 32 Chƣơng Nội dung Trang 4 Truyền thông cơ sở dữ liệu SQL và S60 4.1 Cơ sở dữ liệu SQL và web server 4.1.1 Cấu trúc chung của hệ thống 4.1.2 Cơ sở dữ liệu và web server thực tế 4.1.3 Xây dựng Web server 4.1.4 Cơ sở dữ liệu MSSQL 2000 của WinCC 4.1.5 Web server nội bộ 4.2. Các ứng dụng của Symbian 4.2.1 Miêu tả chung các ứng dụng 4.2.2 Yêu cầu phần mềm 4.2.3 Sự tạo thành của dự án 4.3. Chức năng gửi SMS 4.4. Điều khiển từ điện thoại khách hàng 38 38 38 39 39 43 47 48 48 49 49 50 52 5 Kết quả và thực nghiệm 5.1 Vận hành trong dự án PCS7 5.1.1 Giao diện thời gian chạy HMI 5.1.2 Thiết lập đăng nhập cảnh báo 5.1.3 Mô phỏng chế độ hoạt động tự động 5.1.4 Mô phỏng chế độ hoạt động thủ công 5.1.5 Đăng nhập cảnh báo 5.1.6 Giá trị lƣu trữ và xu hƣớng trực tuyến 5.2 Cơ sở dữ liệu SQL 5.2.1 Cơ sở dữ liệu Wincc trong dự án bể chứa nƣớc 5.2.2 Cơ sở dữ liệu MySQL 5.2.3 Sự chuyển đổi giữa MSSQL và MySQL 53 53 53 53 54 55 55 56 57 57 58 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5.3 Kết nối GPRS với điện thoại di động Symbian 60 Chƣơng Nội dung Trang 6 Kết luận và kiến nghị 6.1 Dự án tự động hoá với PCS7 6.2 Giao tiếp giữa điện thoại di động Symbian và PCS7 6.3 Kiến nghị 61 61 61 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình Tên hình Trang Hình 1.1 Tổng quan về nghiên cứu 4 Hình 2.1 Cấu trúc hoàn chỉnh của SIMATIC PCS7 5 Hình 2.2 Cấu trúc hoàn chỉnh của PLC 6 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Giao tiếp của WinCC Các phiên bản Profibus Profibus trong hệ thống điều khiển 9 10 11 Hình 2.6 Hình 2.7 Cấu trúc chung của mạng GSM Các hãng có sử dụng hệ điều hành Symbian 12 14 Hình 2.8 Cấu trúc của phần mềm Symbian OS v6.1 cho nền S60 15 Hình 2.9 Mô phỏng bộ thiết kế S60 16 Hình 2.10 Hình 2.11 Cấu trúc ứng dụng cơ bản của thiết kế S60 Cấu trúc ứng dụng cơ bản 17 17 Hình 3.1 Biểu đồ quá trình xử lý nƣớc 19 Hình 3.2 Kết nối các đầu vào/ra của PLC 22 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Lƣu đồ chƣơng trình chính Lƣu đồ hoạt động thủ công (Manual Lƣu đồ điều khiển theo chế độ tự động 23 24 24 Hình 3.6 Sơ đồ phần cứng trạm SIMATIC S7-300 26 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Bảng liên các Tag đƣợc tạo trong WinCC Giao diện hệ thống trạm vận hành OS khi thiết kế Giao diện chƣơng trình ở chế độ auto và các tín hiệu trên S7- 300 Giao diện chƣơng trình ở chế độ tuyến 1 và các tín hiệu trên S7-300 Giao diện chƣơng trình ở chế độ tuyến 2 và các tín hiệu trên S7-300 34 34 35 35 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Bảng giá trị của Tank 1 Bảng giá trị của Tank-2 Bảng giá trị của áp suất vi sai Bảng thông báo trạng thái của hệ thống Giao diện khi nhấn nút OFF 36 37 37 38 38 Hình 4.2 Cấu trúc của truyền thông ứng dụng HTTP 39 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 5.1 Hình 5.2 Hình 5.3 Hình 5.4 Hình 5.5 Hình 5.6 Hình 5.7 Hình 5.8 Hình 5.9 Khái niệm kiểm soát giao diện ngƣời dùng Web Lƣợc đồ tƣơng tác giữa trình duyệt web và cơ sở dữ liệu Cấu trúc cơ sở dữ liệu MySQL Bảng AlgCSDataENU lƣu các thông tin sửa đổi của từ khoá. Bảng cơ sở dữ liệu thời gian chạy trong wincc WinCC/Connectivity Pack – truy nhập tới lƣu trữ trong WinCC Sự cập nhật dữ liệu của MSSQL – MySQL Khái niệm vận hành điện thoại di động khách hàng Lƣợc đồ tƣơng tác giữa điện thoại di động khách hàng và cơ sở dữ liệu Bảng điều khiển HMI trong WinCC Thiết lập đăng nhập cảnh báo Mô phỏng chế độ hoạt động tự động Mô phỏng chế độ hoạt động nhân công Đăng nhập cảnh báo trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống Xu hƣớng xử lý trực tuyến Các giá trị lƣu trữ Trạng thái của từ khoá trong cơ sở dữ liệu MS SQL Bảng chi tiết của cơ sở dữ liệu MySQL 41 41 43 45 46 48 49 49 50 54 55 55 56 56 58 58 59 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.10 Chuyển đổi dữ liệu tại web server nội bộ 60 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng Trang Bảng 3.1 Bảng chú thích các kí hiệu vào/ra của PLC S7 300 21 Bảng 4.1 Các folder cho dự án 51 Bảng 5.1 Các trạng thái tƣơng tác giữa MSSQL – MySQL 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Giới thiệu chung Với nhiều lợi thế, ngày nay hầu hết các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp trong lĩnh vực dầu khí, ga, nƣớc, đƣờng, giấy… áp dụng các công nghệ tự động hoá cho việc kiểm soát hệ thống. Có rất nhiều loại và công đoạn khác nhau của các công nghệ tự động hóa mà có sự lựa chọn hệ thống điều khiển theo yêu cầu của từng nhà máy cụ thể. Tuy nhiên, mục đích chung của việc sử dụng công nghệ tự động hóa là để giảm chi phí lao động, tăng năng xuất, nâng cao chất lƣợng sản phẩm, khả năng kiểm soát chính xác và tin cậy của các dây chuyền sản xuất. Công nghệ tự động hóa đầu tiên đã đƣợc biết đến đó là sử dụng bộ điều khiển lôgic lập trình đƣợc (PLC: Programmable Logic Controller) để điều khiển các quá trình riêng biệt, với hệ thống xử lý đơn giản. Trong công nghiệp hiện đại, các thiết bị và hệ thống của một nhà máy có mối quan hệ lẫn nhau, phần cứng (nhƣ máy tính, PLC, DCS, vv) và phần mềm đƣợc kết hợp với nhau thành một hệ thống tự động hóa tích hợp. Hệ thống này đủ mạnh và có thể thực hiện tất cả các chức năng tự động hóa của nhà máy. Hệ thống điều khiển quá trình (PCS: Process Control System) Simatic PSC7 là một thế hệ mới của hệ thống điều khiển của Siemens, nâng cấp các hệ thống tự động hóa PLC cho môi trƣờng Windows và giao tiếp ngƣời máy (HMI: Human Machine Interface). Simatic PCS7 bao gồm các hệ thống HMI, các hệ thống tự động hóa, các mạng lƣới truyền thông, phân phối I/O (từ xa), và các công cụ kỹ thuật khác. Thiết kế của Simatic PCS7 dựa trên kiến trúc kiểu mô- đun hoá và mở bằng cách sử dụng công nghệ state-of-the-art Simatic, thực hiện nhất quán các tiêu chuẩn công nghiệp và các chức năng tự động hóa quá trình, hiệu năng sử dụng phần cứng và phần mềm cao. Vì vậy, ngƣời dùng đạt đƣợc chi phí thực hiện có hiệu quả kinh tế cao và dạt đƣợc sự hoạt động tối ƣu của thiết bị tự động hóa quá trình trong tất cả các giai đoạn: việc lập kế hoạch, nghiên cứu, việc đƣa máy móc vào hoạt động, đào tạo, vận hành, bảo trì, việc cung cấp dịch vụ, mở rộng và đổi mới. Trong xu hƣớng phát triển, các hệ thống tự động hóa không chỉ kiểm soát tại nội bộ HMI mà còn đƣợc kiểm soát và giám sát từ xa, đƣợc gọi là hệ thống kiểm soát, điều khiển và giám sát dữ liệu (SCADA: Supervisory Control and Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Data Acquisition). Hơn nữa, tự động hoá hiện đại hoá, đang đƣợc phát triển, có thể đƣợc kiểm soát và giám sát thông qua mạng Internet. Giải pháp khác để điều khiển từ xa và giám sát đƣợc gọi tắt là kiểm soát từ xa bằng cách sử dụng truyền dữ liệu không dây dựa vào dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: General Packet Radio Service) hay sử dụng Dịch vụ nhắn tin nhắn (SMS), đó là hai đặc điểm quan trọng của hệ thống di động toàn cầu (GSM). Nói chung, hệ thống tự động hóa đang tiếp tục phát triển với độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, và điều khiển linh hoạt. 1.2. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu trong điều khiển từ xa và giám sát đã đƣợc thực hiện. Lĩnh vực thú vị nhất là kiểm soát và giám sát từ xa qua mạng Internet. Trong lĩnh vực này, nhiều ứng dụng đã đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm nhƣ: Tuyến Internet cho các thí nghiệm kiểm soát của một số trƣờng đại học tại Singapore. Một số nghiên cứu khác đang đƣợc tập trung nhƣ kiểm soát robot thông qua Internet và giám sát từ xa, điều khiển quá trình cho các nhà máy. Ƣu điểm lớn nhất của điều khiển từ xa và giám sát qua internet là khả năng thu thập dữ liệu và vận hành hệ thống ở bất cứ nơi nào tại bất kỳ thời gian nào, với giao diện đồ họa dễ hiểu. Tuy nhiên, do tốc độ chậm và tỷ lệ truyền dẫn không phù hợp, kết quả là trong các hệ thống không ổn định, internet đã không đƣợc thừa nhận rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp [3]. Xu hƣớng khác của điều khiển và giám sát từ xa đƣợc dựa trên tính năng phụ của hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động (GSM). Trong trƣờng hợp này, điện thoại di động đóng vai trò nhƣ là trạm hoạt động từ xa. Việc truyển dữ liệu đƣợc thực hiện trên dịch vụ nhắn tin ngắn (SMS) và giao thức ứng dụng không dây (WAP) thông qua một cổng web hoặc một máy chủ [4]. Đƣợc gọi là lĩnh vực phổ biến nhất, phạm vi rộng, không dây, mạng lƣới kỹ thuật số, điều này là rất thuận tiện để sử dụng thiết bị GSM, đặc biệt là điện thoại di động, trong việc kiểm soát bất kỳ hệ thống hoạt động nào. Tuy nhiên, điều khiển từ xa bằng điện thoại di động GSM đối mặt với nhiều bất lợi, làm hạn chế những ứng dụng. Hạn chế khác là cần thời gian dài để thiết lập một kết nối dữ liệu, băng thông thấp gây ra các giao diện thấp [5], phí kết nối cao, vv. Đến nay, hình thức hoạt động này đƣợc áp dụng cho các dự án nhỏ nhƣ tòa nhà thông minh. Những bất tiện trên có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng General Packet Radio Service (GPRS), vì tốc độ truyền tải nhanh hơn và chi phí kết nối rẻ hơn. Một số nhà sản xuất tự động hóa, chẳng hạn nhƣ Siemens, đã áp dụng [...]... hoặc giữa các mạng di động và các chức năng quản lý hỗ trợ Hiệu suất mạng, các hoạt động, thiết lập đƣợc giám sát và quản lý bởi các trung tâm vận hành và bảo trì Các trạm di động và trạm cơ sở sử dụng một kết nối vô tuyến hoặc giao di n không dây để cho phép truy n dữ liệu [10] 2.2.2 Đặc tính truy n dẫn Mỗi điện thoại di động thực hiện việc truy n thông trong các mạng GSM bằng cách sử dụng tính năng từ... MS SQL Server 2000 nhƣ là cơ sở dữ liệu cho các ứng dụng của nó Cơ sở dữ liệu thƣờng là file dữ liệu có cấu hình định hƣớng theo danh sách nhƣ; danh sách từ khoá và văn bản thông báo Nó cũng lƣu trữ dữ liệu xử lý hiện thời nhƣ tin nhắn, các giá trị đo đƣợc và hồ sơ dữ liệu ngƣời sử dụng Cơ sở dữ liệu WinCC có thể đƣợc truy cập không chỉ thông qua ODBC, mà còn thông qua giao di n lập trình mở (C-API)... mà các cửa sổ ứng dụng khác có thể truy cập trực tiếp vào các nguồn dữ liệu trong cơ sở dữ liệu WinCC Với sự trợ giúp của các ngôn ngữ lập trình SQL và công cụ kết nối tƣơng ứng (ví dụ nhƣ ODBC), khách hàng khác (ví dụ: cơ sở dữ liệu Unix, Oracle, Informix) cũng có thể truy cập vào tài nguyên dữ liệu trong cơ sở dữ liệu WinCC Hình 2.3 Giao tiếp của WinCC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái... vào độ bền của giao di n không dây và các loại ứng dụng hỗ trợ Nó có khả năng cho phép truy xuất dữ liệu và truy n dữ liệu qua mạng điện thoại di động ở tốc độ lên đến 171.2Kbps bằng cách sử dụng tám khe thời gian Công nghệ GPRS hỗ trợ duyệt web, chat nhóm, các liên kết đến các ứng dụng đa phƣơng tiện, vv Nó cũng cho phép theo dõi từ xa và điều khiển từ xa của các thiết bị gia dụng và tạo dịch vụ email... lớn Điều đó cho thấy rằng WinCC là cầu nối giữa lĩnh vực truy n thông và truy n dữ liệu Trong trƣờng hợp các lĩnh vực truy n thông có vị trí ở cấp độ tự động hóa (PLC) và truy n dữ liệu là mức sản xuất đại di n cho mạng Giao tiếp dữ liệu bao gồm nhiều kênh truy n thông khác nhau nhƣ trình điều khiển SIMATIC S7, PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS, Industrial Ethernet, TCP/IP, Server và DDE ActiveX WinCC V6 sử dụng. .. thực hiện chức năng chuyển mạch và quản lý liên lạc giữa điện thoại di động và các mạng chuyển mạch điện thoại công cộng Nó đƣợc triển khai bởi ngƣời vận hành điện thoại di động và cho phép điện thoại di động có thể liên lạc với nhau và với điện thoại trong mạng viễn thông rộng hơn 2.2.4 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Package Radio Service) General Packet Radio Service (GPRS) đã đƣợc phát... 1992 và đã nhanh chóng lan ra trên toàn thế giới GSM hoạt động ở băng tần 900MHz (GSM-900) và 1.8GHz (GSM-1800) ở châu Âu và 1.9GHz (GSM-1900) tại Hoa Kỳ Một cấu hình GSM cơ bản bao gồm một trạm di động còn gọi là thuê bao và một trạm cơ sở hoặc trạm thu phát mà giám sát kết nối vô tuyến với trạm di động Cơ sở hạ tầng mạng thực hiện chuyển mạch các cuộc gọi giữa ngƣời sử dụng điện thoại di động và đƣờng... sử dụng giao thức POP3, IMAP4, SMTP, và SMS - Các giao thức điện thoại di động: Thoại 2G và dữ liệu chuyển mạch kênh, 2.5G dữ liệu chuyển mạch gói và tin nhắn SMS - Giao thức truy n thông TCP/IP, WAP, Bluetooth, hồng ngoại, nối tiếp, vv Hình 2.9 cho thấy giao di n mô phỏng của hệ điều hành Symbian S60 FP2, nó gần giống nhƣ một chiếc điện thoại thực sự về hiển thị và các phím chức năng Bộ mô phỏng cho. .. tốt để xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, do đó có thể đƣợc kiểm soát và giám sát từ xa bằng cách sử dụng điện thoại di động thông qua giao thức GPRS 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng một cấu hình mà cho phép theo dõi và kiểm soát các quá trình điều khiển hệ thống Simatic PCS 7 bằng cách sử dụng điện thoại di động trên nền Symbian thông qua giao thức... về và cài đặt, cho phép nhận cập nhật phần mềm,vv 2.3 Nền điện thoại di động Symbian S60 2.3.1 Giới thiệu về Symbian OS Symbian OS là hệ điều hành tiêu chuẩn công nghiệp toàn cầu cho điện thoại thông minh, và đƣợc cấp phép cho các nhà sản xuất thiết bị cầm tay hàng đầu thế giới, những nhà sản xuất mà chiếm hơn 85 phần trăm doanh thu hàng năm trên toàn thế giới về điện thoại di động Đƣợc thành lập vào . Truy n thông cơ sở dữ liệu SQL và S60 4.1 Cơ sở dữ liệu SQL và web server 4.1.1 Cấu trúc chung của hệ thống 4.1.2 Cơ sở dữ liệu và web server thực tế 4.1.3 Xây dựng Web server 4.1.4 Cơ sở. Các trạm di động và trạm cơ sở sử dụng một kết nối vô tuyến hoặc giao di n không dây để cho phép truy n dữ liệu [10]. 2.2.2 Đặc tính truy n dẫn Mỗi điện thoại di động thực hiện việc truy n. TÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG NỀN S60 CHO VIỆC TRUY CẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270 Ngƣời thực hiện: Mạc